簡介：感謝科羅拉多大學博爾德分校 | CUB · 電機、計算機與能源工程系 (ECEE) 的作者和貢獻。

隨著對雲端運算和大數據處理的需求大幅增加，美國數據中心的電力消耗預計在2020年將達到730億度千瓦時 [1]，這將佔美國總電力消耗的約10%。這種消耗的大部分來自於效率低下的電力傳輸架構的損失，這需要大量的改進 [2]， [3]。

48 V總線架構的出現及雙電感混合轉換器 (DIHC)

隨著對數字負載需求增加，所需的分配電流持續增加，傳統的12 V總線架構暴露出更高的損耗、複雜性和互連及電力傳輸網絡的成本。為了解決這些問題，48 V總線架構已成為新的行業標準。谷歌、惠普及其他著名數據中心設計師和使用者計劃採用這種較高電壓的架構 [4]。然而，從48 V到處理器核心電壓（約1-1.8 V）的巨大轉換比率在設計電壓調節模組 (VRM) 時帶來了重大挑戰，迫切需要高效率和高功率密度的設計來安裝於CPU附近 [5]， [6]， [7]。

一種新型的雙電感混合轉換器 (DIHC) 源自於Dickson開關電容轉換器 [8]（如圖1所示），在 [9] 中被提出來有效地解決傳統方法的缺點。DIHC，如圖2所示，採用了兩個交錯的輸出電感，並取消了圖1中混合Dickson轉換器中的兩個大型同步開關S9和S10。這些改進使得DIHC的直流輸出阻抗貢獻幾乎降低了兩倍，從而導致相比於 [8] 中的混合Dickson轉換器的導通損耗減少了一半。

此外，具有自然自平衡電流的兩個交錯電感為高電流應用提供了多相轉換器的相同優勢，而無需額外的電流平衡複雜性 [10]。DIHC還可以採用分相操作來實現所有電容器的完全軟充電 [8]。電路操作和穩態特性的詳細分析已在 [9] 中記錄。

圖1：6比1混合Dickson轉換器的示意圖 [8]

圖2：6比1雙電感混合轉換器的示意圖 [9]

DIHC的一個關鍵優勢是所有的飛行電容器都由電感電流進行軟充放電，而無需硬充電模式。隨著飛行電容器實現完全軟充電，DIHC可以顯著減少電容器的尺寸，而無需提高開關頻率，這在傳統開關電容轉換器中是減少電容器尺寸的基礎，但以開關損耗（權衡）為代價。

此外，由於降低了開關電壓，如圖2中的v_x1和v_x2，僅在輸入電壓V_g的¹/₆與0之間進行切換，類似於三電平或多電平拓撲結構 [11]， [12]，因此可以有利地選擇較小的電感來實現高功率密度的設計。隨著優化尺寸的小型電容器和電感，DIHC將帶來高功率密度的電力轉換，並且對高功率和高電流應用具有很高的潛力。

這種新型轉換器拓撲結構由一個20 W，48 V VRM原型驗證。圖3顯示了關鍵元件的印刷電路板實施。元件的選擇和規格列在表1中。圖4和圖5展示了在48 V-1.6 V / 5 A下運行的原型的主要操作波形。

在圖4中，兩個交錯的電感電流自然平衡，無需額外的平衡控制。圖5捕捉了穩態運行中的飛行電容器電壓。如先前的研究所分析 [9]，所有電容器都由電感電流和分相操作軟充電，沒有因硬充電而在傳統開關電容轉換器中發生的顯著電壓跳變。

圖3：6比1雙電感混合轉換器原型

表1：電路元件和參數

圖4：在48 V-1.6 V下的操作波形，5 A負載

圖5：在48V-1.6V下的飛行電容器電壓波形，5A負載

圖6顯示了原型轉換器在48 V輸入下不同輸出電壓（1 V至2 V）時的測量效率，圖7顯示了在1.8 V輸出下不同輸入電壓範圍（40 V至54 V）時的測量效率。由於合理的開關利用率，優越的輸出阻抗，以及所有電容器的軟充電和交錯優勢，該轉換器可以超過95%的峰值效率，並在考慮關鍵電力轉換元件時實現225 W/in³的功率密度。在數據中心應用中，輕載效率對於節能非常重要，該轉換器的效率也可以保持在90%以上，即使在20%負載下也是如此。

圖6：在48 V輸入下不同輸出電壓的測量效率

圖7：在1.8 V輸出下不同輸入電壓的測量效率

表2比較了目前最先進的48 V核心應用技術，並突出了DIHC的優越效率和相對簡單的結構（少數主動元件）。簡單的操作和增加的佔空比（開關開啟時間）顯示了在此架構中進一步提高轉換器功率密度的高潛力，伴隨著更高的開關頻率。

表2：DIHC與數據中心的不同解決方案的比較

結論

本文介紹了一種使用兩個交錯電感的新型混合轉換器，具有高效率和高功率密度。通過簡化電力轉換結構，從而消除了兩個自由輪迴開關，該轉換器在開關和電容導通損耗方面的輸出阻抗相比混合Dickson轉換器提高了約兩倍。

交錯的雙輸出電感器通過飛行電容器的穩態運行，為高電流應用帶來了多相交錯架構的優勢，自然平衡的電感電流。20 W概念驗證原型證實了該轉換器的優異運行和特性，達到超過95%的峰值效率並具備225 W/in³的功率密度。

參考文獻

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Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing